Ermöglichung von Energy Harvesting für Edge-IoT-Geräte

IoT-Implementierungen schreiten weiter voran, da Unternehmen die digitale Transformation vorantreiben und Smart Living – in all seinen Formen – der Schlüssel zur Verbesserung der Lebensqualität und Nachhaltigkeit ist.

IoT-Endpunkte sind in der Regel Sensoren oder seltener Aktoren, die drahtlos mit einem Aggregating-Gerät oder Internet-Gateway verbunden sind. Sie werden häufig in großer Zahl und in einem Szenario wie Smart City, Smart Factory oder Smart Agriculture über ein großes geografisches Gebiet verteilt eingesetzt. Die Kosten für die Durchführung von Wartungsarbeiten vor Ort, wie zum Beispiel das Ersetzen entladener Primärbatterien, sind normalerweise untragbar. Darüber hinaus stellen die weggeworfenen Batterien eine Umweltbelastung dar, die zunehmend inakzeptabel ist.

Bei der Entwicklung von Endpunkten können Ingenieure den Batteriewechsel vermeiden, indem sie eine ausreichende Energieversorgung für die erwartete Lebensdauer des Geräts sicherstellen. Dies kann mehrere Jahre dauern. Ein Formfaktor einer Knopfzelle ist normalerweise aufgrund von Größenbeschränkungen wünschenswert. Wenn die gespeicherte Energie nicht den Systemanforderungen entspricht, kann der Einbau einer größeren Zelle eine Option sein.

Eine Alternative besteht darin, die Schaltung neu zu gestalten, um den Gesamtenergiebedarf des Systems unter den verfügbaren Zellenspeicher zu senken. Beide Ansätze oder eine Kombination aus beiden können das Ziel möglicherweise nicht erreichen.

Micro Energy Harvesting in der Größenordnung von Mikrowatt oder Milliwatt kann eine nützliche und potenziell unerschöpfliche Versorgung mit elektrischer Energie bereitstellen, die aus der Umgebung gewonnen wird. Diese kann je nach Anwendung und verfügbarer Umgebungsenergie eine Primärzelle ergänzen oder ersetzen. Es kann möglich sein, dass die gewonnene und umgewandelte Energie die Schaltung direkt mit Strom versorgt. Auf der anderen Seite kann die Speicherung der Energie in einem Puffer, bis sie benötigt wird, ein geeigneterer Ansatz sein.

In jedem Fall ist eine geeignete Umgebungsenergiequelle erforderlich, die in der Lage ist, die Anforderungen der Anwendung zu erfüllen. Unter den verschiedenen Subsystemen des IoT-Endpunkts stellt das Funkgerät den größten Energiebedarf. Es kann aufschlussreich sein, hier die Anforderungen zu analysieren, um Informationen über das Design und die Integration des Energy-Harvesting-Systems zu erhalten.

Stromverbrauch des Funksubsystems

Es ist entscheidend, die am besten geeignete drahtlose Technologie auszuwählen, um die erforderliche Datenrate und Kommunikationsreichweite bei geringstmöglichem Stromverbrauch bereitzustellen.

Wenn der Sensor nur in geringer Entfernung von einem Aggregator oder Gateway wie einem Hub oder Router mit Verbindung zum Internet oder über eine lokale Telekommunikationsvermittlungsstelle positioniert werden soll, kann eine Technologie wie Bluetooth, Zigbee oder Wi-Fi geeignet sein, je nachdem auf die erforderliche Datenrate und auch auf Kostenbeschränkungen. In anderen Fällen, beispielsweise wenn Endpunkte über ein geografisch großes Gebiet verteilt sind, kann eine LPWAN- oder Mobilfunkverbindung erforderlich sein. Abbildung 1 vergleicht den Stromverbrauch, die Datenrate, die typische maximale Reichweite und die relativen Kosten der wichtigsten Technologien, die in IoT-Anwendungen verwendet werden.

Reichweite, Datenrate und Stromverbrauch können auch numerisch ausgedrückt werden, um einen direkten Vergleich zu erleichtern. Wie Abbildung 2 zeigt, kann ein drahtloses Subsystem von nur 150 µW bis 400 mW verbrauchen.

Um die Auswirkungen auf den Gesamtenergiebedarf des Systems vollständig zu verstehen, muss auch der Arbeitszyklus berücksichtigt werden. Anwendungen wie intelligente Verbrauchszähler beinhalten das Senden kleiner Datenpakete einige Male am Tag oder alle paar Tage. Andere, wie beispielsweise Sicherheitskameras, müssen möglicherweise häufig oder kontinuierlich große Datenmengen senden. Je nach Anwendung kann der Duty Cycle reduziert werden, indem die Daten vor der Übertragung lokal im System gefiltert werden; eine Kamera kann mit einem Bewegungssensor ausgestattet sein, der die Aufnahme nur startet, wenn eine Aktivität erkannt wird, oder die eingebettete Bildverarbeitung kann uninteressante Daten verwerfen. Natürlich muss die zum Filtern der Daten benötigte Energie mit der durch die Reduzierung des Arbeitszyklus eingesparten Energie verglichen werden, um einen Nettonutzen zu gewährleisten.

Umgebungsenergiequellen

Nachdem ein Verständnis der vom drahtlosen Subsystem benötigten Energie und Leistung gewonnen wurde, ist es möglich, geeignete Umgebungsquellen und Mikroenergie-Harvesting-Technologien zu bewerten.

Die wichtigsten Mikro-Energiegewinnungstechnologien, die für den Antrieb dieser Systeme geeignet sind, sind Arrays von Solarzellen, piezoelektrische oder elektrostatische Wandler, die durch Vibrationen aktiviert werden, und Peltier-Geräte, die einen Temperaturgradienten in eine elektromotorische Kraft (EMF) umwandeln. HF-Energiequellen, die durch Patch- oder Spulenantennen erfasst werden, sind in der Regel für alle außer den sparsamsten IoT-Anwendungen ungeeignet. Abbildung 3 vergleicht die typischen Energiedichten dieser Technologien. Anhand dieser Informationen ist es möglich, eine Technologie auszuwählen und mit der Entwicklung einer Spezifikation zu beginnen, indem die Größen und die Leistung der verfügbaren Komponenten bewertet werden.

Solarzellen mit einer Fläche von 35-40cm ² kann etwa 0,5 Watt erzeugen, bei einer angenommenen Effizienz von etwa 20 %. Diese sind für weniger als 1 USD pro Stück erhältlich, während piezoelektrische Harvester in der Regel mindestens eine Größenordnung teurer sind und weniger Energie produzieren. Solarzellen sind bekanntermaßen weniger effizient, wenn sie in Innenräumen verwendet werden. Vor kurzem wurden jedoch einige Indoor-Solar-Harvester eingeführt, die behaupten, ausreichend Leistung für Funkgeräte mit geringer Leistung zu liefern.

Alles zusammenbringen

Durch die Nutzung solcher Fortschritte kann Micro Energy Harvesting als Lösung zur Reduzierung oder Eliminierung von Batterien in IoT-Endpunkten betrachtet werden. Da die Energiequellen selbst oft unregelmäßig und nicht unbedingt verfügbar sind, wenn das IoT-Gerät Daten senden oder empfangen muss, wird in der Regel ein Energiepuffer oder Speicher benötigt. Dies kann eine wiederaufladbare Batterie oder ein Kondensator (oder Superkondensator) sein. Ein Energy-Harvesting-Power-Management-IC (EH PMIC) wird benötigt, um die Energie aus dem Harvesting-Subsystem zu verarbeiten, die dem Energiepuffer zugeführte Ladung zu verwalten und die Last bei Bedarf zu versorgen, wie in Abbildung 4 gezeigt. Die verschiedenen Energy-Harvesting-Technologien haben unterschiedliche elektrische Eigenschaften. Thermoelektrische Harvester erzeugen einen kontinuierlichen Gleichstrom bei niedriger Spannung und sind daher niederohmig. Während Solarzellen auch eine niedrige Gleichspannung erzeugen, variiert der Strom und damit die Impedanz mit der Lichtstärke.

Typische EH-PMICS auf dem heutigen Markt haben eine feste Architektur und einen festen Eingangsspannungsbereich, der für den Betrieb mit einem bestimmten Harvestertyp ausgelegt ist. Dies schließt die Verwendung eines alternativen Harvesters zum Einfangen zusätzlicher Umgebungsenergie aus, wenn eine Quelle allein die Systemanforderung nicht erfüllen kann. Wenn mehrere Energiequellen benötigt werden, wird daher für jede ein eigenes EH PMIC benötigt. Dies erhöht die Systemkosten, die Größe und den Stromverbrauch und kann auch das Design verkomplizieren.

Einige EH-PMICs können mithilfe externer Schaltkreise modifiziert werden, um den Ausgang des Energy Harvesters zu konditionieren. Um das Systemdesign zu vereinfachen, bieten die EH-PMICs von Trameto, genannt OptiJoule, Eingänge, die sich autonom an verschiedene Arten von angeschlossenen Harvester anpassen und die an den Puffer gelieferte Leistung maximieren, ohne dass externe Schaltungen erforderlich sind. Es stehen Versionen für einzelne Eingänge oder mit bis zu vier Eingängen zur Verfügung. Multi-Input-Versionen bieten die Flexibilität, ähnliche oder unterschiedliche Harvestertypen anzuschließen. Mit OptiJoule-Geräten ist es also möglich, die Mikroenergie-Harvesting-Kapazität zu skalieren, ein einziges PMIC für mehrere Anwendungen zu verwenden und sogar die Auswahl der Energy-Harvesting-Technologie bei Bedarf auf später in der Produktentwicklung zu verschieben.

Schlussfolgerung

Durch die Entwicklung optimierter Funkprotokolle, energiesparendes Mikroprozessordesign, stromsparende Sensoren und die zunehmende Effizienz von Micro Energy Harvesting ist Umgebungsenergie zu einer praktikablen Quelle geworden, um die Abhängigkeit von Batterien zu reduzieren oder zu beseitigen und die Betriebslebensdauer von IoT-Endpunkten zu verlängern das Feld. Die neuesten Entwicklungen bei EH-PMICs bieten zusätzliche Flexibilität bei der Verwaltung von Größe, Kosten und Komplexität bei der Integration ausgewählter Mikro-Energy-Harvesting-Technologien.